復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)及其仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)及其仿真方法，旨在解決現(xiàn)有復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度建模、仿真、以及復(fù)雜配電網(wǎng)仿真精度與效率方面的問題。本發(fā)明提出了復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)模混合仿真方案，設(shè)計(jì)了數(shù)?；旌辖涌谘b置及協(xié)調(diào)機(jī)制，可以有效實(shí)現(xiàn)復(fù)雜配電網(wǎng)設(shè)備(如含復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、新型控制策略等的電力電子設(shè)備)的多時(shí)間尺度實(shí)時(shí)仿真以及包含風(fēng)機(jī)、光伏、燃?xì)廨啓C(jī)等分布式電源、電動(dòng)汽車并/離網(wǎng)及與配電網(wǎng)交互影響的多時(shí)間尺度仿真分析。該發(fā)明從能夠推動(dòng)新一代配電網(wǎng)最前沿新技術(shù)的發(fā)展，提高配電網(wǎng)運(yùn)行控制與分析水平，從配電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、調(diào)控運(yùn)行等角度對(duì)電網(wǎng)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)、管理提供更有力、更長(zhǎng)遠(yuǎn)、更深入的支撐。
【專利說明】
復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)及其仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種仿真系統(tǒng)及其仿真方法，具體涉及一種復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù) ?；旌戏抡嫦到y(tǒng)及其仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著供電需求增長(zhǎng)及配電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，配電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大、結(jié)構(gòu)日益 復(fù)雜，其規(guī)模大、節(jié)點(diǎn)多、設(shè)備雜、運(yùn)行方式多的特點(diǎn)日益突出。同時(shí)，可再生能源并網(wǎng)技術(shù)、 新型電力電子技術(shù)的發(fā)展迅猛;在配電網(wǎng)側(cè)，大量的分布式電源、微電網(wǎng)、大容量充電器、儲(chǔ) 能系統(tǒng)等接入，配電網(wǎng)運(yùn)行方式日益復(fù)雜，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)具有明顯的分散性、不對(duì)稱性 和多元性。
[0003] 配電網(wǎng)多時(shí)間尺度仿真是提高運(yùn)行和分析決策能力的有力工具。現(xiàn)階段的配電網(wǎng) 多時(shí)間尺度仿真方法主要有兩種:配電網(wǎng)物理仿真和配電網(wǎng)全數(shù)字多時(shí)間尺度仿真。物理 仿真是采用實(shí)際的物理真型設(shè)備或者等比例縮小的物理設(shè)備進(jìn)行仿真模擬的過程，仿真結(jié) 果精細(xì)、可信度高;但缺點(diǎn)是受限于仿真規(guī)模，周期長(zhǎng)，硬件設(shè)備往往比較昂貴，維護(hù)和操作 難度較大;配電網(wǎng)全數(shù)字多時(shí)間尺度仿真成本低、計(jì)算快速、耗時(shí)短，可以仿真較大規(guī)模的 配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，但是由于仿真對(duì)象復(fù)雜性的限制，仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性不如物理仿真；同 時(shí)，由于配電網(wǎng)本身具有規(guī)模大、設(shè)備類型多、結(jié)構(gòu)與參數(shù)不對(duì)稱等特點(diǎn)，以及含復(fù)雜控制 策略的分布式電源接入，導(dǎo)致配電系統(tǒng)多時(shí)間尺度實(shí)時(shí)仿真的實(shí)現(xiàn)較為困難。
[0004] 復(fù)雜配電網(wǎng)仿真過程具有較為鮮明的多時(shí)間尺度特性，包括穩(wěn)態(tài)仿真和暫態(tài)仿 真；而暫態(tài)仿真又可分為電磁多時(shí)間尺度過程與機(jī)電多時(shí)間尺度過程。與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相 比，復(fù)雜配電網(wǎng)有其自身特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：1)新型元件種類繁多且形式各異，既有靜止的 直流型電源，又有旋轉(zhuǎn)的交流電機(jī);2)復(fù)雜配電網(wǎng)控制復(fù)雜，包括分布式電源逆變器及儲(chǔ)能 元件自身的控制、電力電子設(shè)備的控制以及網(wǎng)絡(luò)層面的電壓與頻率調(diào)節(jié)等;3)大部分分布 式電源需通過電力電子變流器向電網(wǎng)或負(fù)荷供電;4)許多分布式電源的出力具有間歇性和 隨機(jī)性，往往需要儲(chǔ)能設(shè)備、功率補(bǔ)償裝置以及其它種類分布式電源的配合才能達(dá)到較好 的動(dòng)、靜態(tài)性能;5)中小容量的分布式電源大多接入中低壓配電網(wǎng)，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與負(fù)荷的 不對(duì)稱性大大增加，此外，用戶側(cè)的分布式電源可能通過單相逆變器并網(wǎng)，更加劇了系統(tǒng)的 不對(duì)稱性。
[0005] 因此，復(fù)雜配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)隨著環(huán)境條件的變化、負(fù)荷需求的增減、電源出力 的調(diào)整、運(yùn)行方式的改變以及故障或擾動(dòng)的發(fā)生而不斷變化，其多時(shí)間尺度過程也將更為 復(fù)雜，相對(duì)于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，復(fù)雜配電網(wǎng)的時(shí)間尺度跨度更大，動(dòng)態(tài)過程間的耦合更緊密。 如圖1示意了復(fù)雜配電網(wǎng)不同仿真過程對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度。近年來，隨著供電需求增長(zhǎng)及配電 網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，配電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大、結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，其規(guī)模大、節(jié)點(diǎn)多、設(shè)備雜、運(yùn)行方式 多的特點(diǎn)日益突出。同時(shí)，可再生能源、新能源技術(shù)發(fā)展與投入力度的加大，在配電網(wǎng)側(cè)，大 量的分布式電源、微電網(wǎng)、大容量充電器、儲(chǔ)能系統(tǒng)等接入配電網(wǎng)，運(yùn)行方式日益復(fù)雜，配電 網(wǎng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)具有明顯的獨(dú)特性、不對(duì)稱性和多元性。
[0006] 配電網(wǎng)暫態(tài)仿真是提高運(yùn)行能力和分析決策能力的有力工具。現(xiàn)階段的配電網(wǎng)暫 態(tài)仿真方法主要有兩種:配電網(wǎng)物理仿真和配電網(wǎng)全數(shù)字暫態(tài)仿真。物理仿真是采用實(shí)際 的物理真型設(shè)備或者等比例縮小的物理設(shè)備進(jìn)行仿真模擬的過程，仿真結(jié)果精細(xì)、可信度 高，但缺點(diǎn)是受限于仿真規(guī)模，周期長(zhǎng)，硬件設(shè)備往往比較昂貴，維護(hù)和操作難度較大;配電 網(wǎng)全數(shù)字暫態(tài)仿真成本低，計(jì)算迅速，耗時(shí)短，可以仿真較大規(guī)模的配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，但是由于 仿真對(duì)象復(fù)雜性的限制，仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性不如物理仿真，精度不夠，同時(shí)，由于配電 網(wǎng)本身具有規(guī)模大、設(shè)備類型、結(jié)構(gòu)與參數(shù)具有不對(duì)稱等特點(diǎn)，以及含復(fù)雜控制策略的分布 式電源接入，導(dǎo)致配電系統(tǒng)暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真的實(shí)現(xiàn)較為困難。
[0007] 復(fù)雜配電網(wǎng)暫態(tài)過程具有較為鮮明的時(shí)間尺度特性，可分為電磁暫態(tài)過程與機(jī)電 暫態(tài)過程。與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，復(fù)雜配電網(wǎng)有其自身特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：1)新型元件種類 繁多且形式各異，既有靜止的直流型電源，又有旋轉(zhuǎn)的交流電機(jī);2)復(fù)雜電網(wǎng)控制復(fù)雜，包 括分布式電源及儲(chǔ)能元件自身的控制，電力電子變流器的控制以及網(wǎng)絡(luò)層面的電壓與頻率 調(diào)節(jié)等;3)大部分分布式電源需通過電力電子變流器向電網(wǎng)或負(fù)荷供電；4)許多分布式電 源的出力具有間歇性和隨機(jī)性，往往需要儲(chǔ)能設(shè)備、功率補(bǔ)償裝置以及其它種類分布式電 源的配合才能達(dá)到較好的動(dòng)、靜態(tài)性能;5)中小容量的分布式電源大多接入中低壓配網(wǎng)，此 時(shí)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與負(fù)荷的不對(duì)稱性大大增加，此外，用戶側(cè)的分布式電源可能通過單相逆變器 并網(wǎng)，更加劇了系統(tǒng)的不對(duì)稱性。
[0008] 因此，復(fù)雜配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)隨著環(huán)境條件的變化、負(fù)荷需求的增減、電源出力 的調(diào)整、運(yùn)行方式的改變以及故障或擾動(dòng)的發(fā)生而不斷變化，其暫態(tài)過程也將更為復(fù)雜，相 對(duì)于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)其時(shí)間尺度跨度更大，動(dòng)態(tài)過程間的耦合更緊密。如圖1示意了復(fù)雜配電 網(wǎng)不同暫態(tài)過程對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度。
[0009] 在電網(wǎng)數(shù)字仿真、模擬仿真與數(shù)模混合仿真方面，已有典型的相關(guān)發(fā)明如下：
[0010] (1)發(fā)明申請(qǐng)?zhí)枺?01310153712.2,發(fā)明名稱:基于全網(wǎng)數(shù)據(jù)的配電網(wǎng)仿真研究分 析系統(tǒng)及方法。此項(xiàng)發(fā)明公開了配電網(wǎng)數(shù)字仿真系統(tǒng)中數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層等各層次的 技術(shù)特征。但該技術(shù)面向傳統(tǒng)配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)過程仿真，不具備分布式電源、電力電子裝置、柔 性交直流設(shè)備等元件的詳細(xì)模型，仿真速度慢，無法實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真與暫態(tài)仿真。
[0011] (2)發(fā)明申請(qǐng)?zhí)枺?01410602141.0,發(fā)明名稱:復(fù)雜配電網(wǎng)模擬仿真系統(tǒng)。此項(xiàng)發(fā)明 公開了配電網(wǎng)模擬仿真系統(tǒng)中電源模擬單元、線路模擬單元、負(fù)荷模擬單元、控制模擬單 元、保護(hù)模擬單元等5大模塊的技術(shù)特征。然而，對(duì)于該配電網(wǎng)模擬仿真系統(tǒng)，設(shè)備造價(jià)高， 占地面積大，仿真場(chǎng)景單一，無法實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)多類場(chǎng)景仿真。
[0012] (3)發(fā)明申請(qǐng)?zhí)枺?01310283532.6，發(fā)明名稱:一種功率級(jí)數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)。此項(xiàng) 發(fā)明公開了數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)中硬件電路與數(shù)字模型的技術(shù)特征，側(cè)重于闡述功率連接接 口的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理。然而，利用該數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)進(jìn)行暫態(tài)仿真，存在數(shù)字側(cè)與模 擬側(cè)之間不同步的問題。此外，現(xiàn)有技術(shù)面向?qū)ο鬄檩旊娋W(wǎng)，在元件建模、過程建模、算法求 解、功能設(shè)置等方面無法滿足具備多分段、多聯(lián)接、多運(yùn)行狀態(tài)，高R/X比、規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù) 雜、點(diǎn)多面廣等特征的復(fù)雜配電網(wǎng)仿真需求。
[0013] 可以看出，上述發(fā)明均具有一定的缺陷，因此，需要尋求新的仿真系統(tǒng)及仿真方 法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提出了一種復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)?；?合仿真系統(tǒng)及其仿真方法，該方法對(duì)于傳統(tǒng)配電網(wǎng)單元部分，采用多時(shí)間尺度數(shù)字多時(shí)間 尺度實(shí)時(shí)仿真，對(duì)于內(nèi)部機(jī)理尚未研究深入、不容易用數(shù)字公式表達(dá)、建模難度大、仿真精 度高的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)則采用物理真型或等比例縮小的物理模擬設(shè)備進(jìn)行模擬，數(shù)字部分和模 擬部分通過數(shù)?；旌辖涌趩卧巴綑C(jī)制進(jìn)行聯(lián)合實(shí)時(shí)仿真。
[0015] 本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0016] 本發(fā)明提供一種復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)，其改進(jìn)之處在于:所 述數(shù)模混合仿真系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)交流電網(wǎng)、直流電網(wǎng)、交直流混合電網(wǎng)的基于單一電壓等級(jí)、 多電壓等級(jí)的多時(shí)間尺度數(shù)模混合仿真，所述數(shù)模混合仿真系統(tǒng)包括：
[0017] 數(shù)字仿真系統(tǒng):用于對(duì)含分布式電源的配電網(wǎng)進(jìn)行數(shù)?；旌蠒簯B(tài)仿真；
[0018] 數(shù)?；旌辖涌谘b置:用于數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)和時(shí)間一致性的同步；
[0019] 物理模擬電路:用于搭建復(fù)雜配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0020] 底層設(shè)計(jì)模塊:用于對(duì)數(shù)字仿真系統(tǒng)的仿真層提供實(shí)時(shí)同步仿真技術(shù)和對(duì)數(shù)字仿 真系統(tǒng)和數(shù)?；旌辖涌谘b置提供基于FPGA的時(shí)間調(diào)整技術(shù)；
[0021] 所述數(shù)字仿真系統(tǒng)和物理模擬電路通過數(shù)模混合接口裝置連接，構(gòu)成硬件在環(huán)路 的多時(shí)間尺度仿真系統(tǒng)。
[0022]進(jìn)一步地:所述數(shù)字仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括：交互層設(shè)計(jì)、建模層設(shè)計(jì)和仿真層設(shè) 計(jì);所述交互層設(shè)計(jì)用于負(fù)責(zé)與用戶的可視化交互，并采用建模層所建立的元件模型圖形， 搭建仿真電路，進(jìn)行仿真元件參數(shù)設(shè)置;建模層設(shè)計(jì)用于負(fù)責(zé)仿真元件數(shù)學(xué)建模、元件的參 數(shù)定義、參數(shù)估計(jì)和驗(yàn)證以及元件圖形外觀的設(shè)計(jì);所述仿真層設(shè)計(jì)為在交互層的指令下， 基于建模層所建立的仿真元件數(shù)學(xué)模型，參考相應(yīng)的仿真元件參數(shù)設(shè)置，對(duì)交互層所搭建 的仿真電路進(jìn)行仿真計(jì)算，包括電氣系統(tǒng)與控制系統(tǒng)并行計(jì)算的設(shè)計(jì)和基于FPGA的數(shù)字框 架的設(shè)計(jì)。
[0023]進(jìn)一步地:底層設(shè)計(jì)模塊采用基于可邏輯編程的FPGA進(jìn)行硬件加速數(shù)字仿真，同 時(shí)采用多FPGA分區(qū)并行的方法來加速配電網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)數(shù)字仿真速度。
[0024]進(jìn)一步地:所述數(shù)模混合接口裝置包括：
[0025]數(shù)據(jù)采集單元:用于將模擬建模層搭建的仿真電路的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行采集并 傳送給數(shù)字仿真系統(tǒng)；
[0026] 功率放大單元：用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真系統(tǒng)電流信號(hào)功率放大，將數(shù)字信號(hào)變?yōu)檎鎸?shí) 的電流信號(hào)參與物理模擬電路的運(yùn)行；
[0027] 開關(guān)信號(hào)單元：用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真系統(tǒng)和物理模擬電路之間開關(guān)信號(hào)的隔離傳 送。
[0028] 進(jìn)一步地:所述數(shù)據(jù)采集單元包括依次連接的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，A/D數(shù)據(jù)采集器和電壓 調(diào)理單元;物理模擬電路的電壓和電流信號(hào)經(jīng)過互感器或傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妷夯虻碗娏餍?號(hào)，傳送到數(shù)?；旌辖涌谘b置，數(shù)?；旌辖涌谘b置的AD數(shù)據(jù)采集器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字 信號(hào)，數(shù)模采集單元的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)暫時(shí)緩存上述數(shù)字信號(hào)；
[0029] 所述功率放大單元包括依次連接的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器和功率放大器;首先數(shù)字仿真 系統(tǒng)的信號(hào)通過DA數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字仿真系統(tǒng)的電流數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬的電壓信號(hào)， 模擬的電壓信號(hào)通過電流功率放大器轉(zhuǎn)換為與數(shù)字量相對(duì)應(yīng)的電流；
[0030] 所述開關(guān)信號(hào)單元采用隔離器件進(jìn)行隔離，所述開關(guān)信號(hào)單元的作用為：1)將數(shù) 字仿真系統(tǒng)的開關(guān)指令直接下發(fā)給物理模擬電路執(zhí)行;2)將物理模擬電路的開關(guān)狀態(tài)傳送 給上位機(jī)的數(shù)字部分。
[0031] 進(jìn)一步地:采用基于FPGA的時(shí)間調(diào)整技術(shù)達(dá)到數(shù)字仿真系統(tǒng)和物理模擬電路實(shí)時(shí) 同步的目的，基于FPGA的時(shí)間調(diào)整技術(shù)為:高速FPGA記錄數(shù)字仿真系統(tǒng)的讀取信號(hào)，并根據(jù) 讀取信號(hào)記錄數(shù)字系統(tǒng)的計(jì)算周期時(shí)間，在數(shù)字仿真系統(tǒng)下一次讀取到來之前的時(shí)間點(diǎn)△ T準(zhǔn)時(shí)驅(qū)動(dòng)A/DA/D信號(hào)轉(zhuǎn)換器，將模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，提供給數(shù)字仿真系統(tǒng)。
[0032] 進(jìn)一步地:所述物理模擬電路用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)電壓等級(jí)配電網(wǎng)模擬仿真，包括電源 模擬單元、線路模擬單元、負(fù)荷模擬單元、保護(hù)模擬單元、監(jiān)控模擬單元和物理同步模塊;所 述物理模擬電路能夠仿真的對(duì)象包括單一電壓等級(jí)或者多個(gè)電壓等級(jí)的無源配電網(wǎng)、有源 配電網(wǎng)、閉環(huán)運(yùn)行配電網(wǎng)、交直流混合配電網(wǎng)配電網(wǎng)類型。
[0033]進(jìn)一步地:為所述物理模擬電路設(shè)計(jì)端子柜，端子柜中的端子與電力物理元件的 接線端口連接，在所述端子柜上畫上每個(gè)元件標(biāo)示符號(hào)，并貼上名稱和接線端口號(hào)。
[0034]進(jìn)一步地:為每個(gè)電力物理元件設(shè)計(jì)唯一對(duì)應(yīng)的模型，根據(jù)所需設(shè)計(jì)的模型結(jié)構(gòu) 進(jìn)行畫線連接，上位機(jī)自動(dòng)識(shí)別出元件間的連接關(guān)系，并生成連接列表，所述連接列表包含 每個(gè)元件的編號(hào)、元件的端口號(hào)，以及各個(gè)元件各個(gè)端口之間的連接關(guān)系。
[0035]進(jìn)一步地:上位機(jī)根據(jù)電力物理元件間的拓?fù)潢P(guān)系自動(dòng)生成接線列表的過程為： 上位機(jī)根據(jù)電力物理元件序號(hào)由小到大依次遍歷所有元件，并且根據(jù)端口號(hào)由小到大依次 遍歷元件所有端口，形成連接列表，并將首次遍歷到的元件序號(hào)和端口號(hào)記為新節(jié)點(diǎn)的主 元件序號(hào)和端口號(hào)。
[0036] 進(jìn)一步地:所述復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)的仿真功能包括：1)物 理模擬電路監(jiān)控?cái)?shù)字仿真系統(tǒng):模型實(shí)時(shí)潮流運(yùn)行狀態(tài)仿真全部在數(shù)字仿真系統(tǒng)進(jìn)行，物 理模擬電路監(jiān)控與保護(hù)裝置對(duì)數(shù)字仿真系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，如果數(shù)字仿真系統(tǒng)運(yùn)行 某時(shí)刻發(fā)生事件或故障，則物理模擬電路真實(shí)的監(jiān)控和保護(hù)裝置依照該事件或故障及時(shí)動(dòng) 作，并將動(dòng)作信號(hào)通過數(shù)?；旌辖涌谘b置裝置傳遞到數(shù)字仿真系統(tǒng)，達(dá)到對(duì)物理模擬電路 監(jiān)控與保護(hù)裝置進(jìn)行測(cè)試的目的；2)數(shù)字仿真系統(tǒng)監(jiān)控物理模擬電路:物理模擬電路按照 既定的場(chǎng)景搭建仿真拓?fù)洌溥\(yùn)行狀態(tài)通過數(shù)?；旌辖涌谘b置傳送到數(shù)字仿真系統(tǒng)，數(shù)字 仿真系統(tǒng)的監(jiān)控與保護(hù)模塊對(duì)物理模擬的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，達(dá)到數(shù)字仿真系統(tǒng)對(duì)物 理模擬電路進(jìn)行監(jiān)控的目的；3)復(fù)雜配電網(wǎng)數(shù)字暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)分別計(jì)算的數(shù)?；旌戏抡妫合?統(tǒng)分為計(jì)算復(fù)雜配電網(wǎng)電網(wǎng)模型的仿真計(jì)算機(jī)和用于計(jì)算機(jī)電暫態(tài)和電磁暫態(tài)模型的實(shí) 時(shí)仿真機(jī)，兩個(gè)系統(tǒng)通過高速通訊聯(lián)接，實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)通過功率放大器與物理模擬電路連 接。
[0037] 本發(fā)明還提供一種復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)的仿真方法，其改進(jìn) 之處在于，所述仿真方法包括下述三種場(chǎng)景：（1)復(fù)雜配電網(wǎng)運(yùn)行在數(shù)字仿真系統(tǒng)的數(shù)?；?合仿真；（2)復(fù)雜配電網(wǎng)運(yùn)行在物理模擬設(shè)備部分的數(shù)?；旌戏抡妫唬?)復(fù)雜配電網(wǎng)數(shù)字暫 態(tài)和穩(wěn)態(tài)分別計(jì)算的數(shù)?；旌戏抡妫灰砸陨先N基本形式為基礎(chǔ)，數(shù)字仿真系統(tǒng)和物理模 擬電路中的模塊均獨(dú)立運(yùn)行，并且數(shù)字仿真系統(tǒng)整體或部分參與物理模擬電路的數(shù)?；旌?仿真，物理模擬電路的全部或部分設(shè)備參與數(shù)字仿真系統(tǒng)的數(shù)?；旌戏抡?。
[0038] 與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有的優(yōu)異效果是：
[0039] (1)本發(fā)明提出的一種復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)及其仿真方法， 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模復(fù)雜配電網(wǎng)進(jìn)行多時(shí)間尺度實(shí)時(shí)仿真，仿真實(shí)時(shí)性高、精確度高、穩(wěn)定性 好；
[0040] (2)本發(fā)明提出的一種復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)及其仿真方法， 將難以準(zhǔn)確建模的設(shè)備用等比例縮放的物理真型設(shè)備進(jìn)行模擬，將其余部分用數(shù)字仿真模 擬，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)模多時(shí)間尺度仿真之間的同步，實(shí)時(shí)、高效、簡(jiǎn)便，同時(shí)不失準(zhǔn)確性；
[0041] (3)本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)包含傳統(tǒng)配電網(wǎng)及分布式電源、微電網(wǎng)、電動(dòng)汽車/充放電裝置、 智能化設(shè)備/系統(tǒng)、自動(dòng)化/信息化系統(tǒng)、直流電網(wǎng)、交直流混合電網(wǎng)、閉環(huán)運(yùn)行電網(wǎng)、電力電 子逆變裝置等新要素的復(fù)雜配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)、多時(shí)間尺度仿真試驗(yàn)；
[0042] (4)本發(fā)明仿真功能全面，包含具備不同拓?fù)?、不同接地方式下配電網(wǎng)的故障、動(dòng) 靜態(tài)潮流等仿真功能，可以實(shí)現(xiàn)無窮大電源或孤立運(yùn)行的一個(gè)或多個(gè)電壓等級(jí)配電網(wǎng)的仿 真分析；
[0043] (5)本發(fā)明仿真結(jié)果可重復(fù)、可靠、真實(shí)，能夠客觀的反映真實(shí)復(fù)雜配電網(wǎng)的運(yùn)行 規(guī)律與特性；
[0044] (6)本發(fā)明采用的技術(shù)前沿、裝備成熟可靠，仿真系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)，采用模塊化設(shè)計(jì)， 拓?fù)涓淖兎绞届`活，操作便利；
[0045] (7)本發(fā)明提出的一種復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)模混合仿真系統(tǒng)及其仿真方法， 數(shù)字部分采用基于多CPU的并行分布式仿真以及基于FPGA的小步長(zhǎng)數(shù)字仿真實(shí)現(xiàn)，模擬部 分用經(jīng)過縮放的物理真型設(shè)備模擬，通過由數(shù)據(jù)采集單元、電流功率放大單元以及開關(guān)信 號(hào)單元組成的數(shù)?；旌辖涌谶M(jìn)行連接，可以保證數(shù)字仿真過程與模擬系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間保 持一致，仿真速度快，最大程度保證了多時(shí)間尺度仿真貼近真實(shí)運(yùn)行工況。
【附圖說明】
[0046] 圖1是復(fù)雜配電網(wǎng)各動(dòng)態(tài)過程時(shí)間尺度示意圖；
[0047] 圖2是本發(fā)明提供的復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)及其仿真方法具體 實(shí)施例示意圖；
[0048]圖3是本發(fā)明提供的復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)及其仿真方法原理 圖；
[0049] 圖4是本發(fā)明提供的復(fù)雜配電網(wǎng)數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖；
[0050] 圖5是本發(fā)明提供的基于FPGA小步長(zhǎng)數(shù)字暫態(tài)仿真部分原理圖；
[0051 ]圖6是本發(fā)明提供的基于FPGA的數(shù)字側(cè)仿真架構(gòu)圖；
[0052]圖7是本發(fā)明提供的復(fù)雜配電網(wǎng)數(shù)字仿真求解框架圖；
[0053] 圖8是本發(fā)明提供的復(fù)雜配電網(wǎng)電氣系統(tǒng)與控制系統(tǒng)并行計(jì)算方法圖；
[0054] 圖9是本發(fā)明提供的復(fù)雜配電網(wǎng)設(shè)備元件多時(shí)間尺度建模方法技術(shù)圖；
[0055] 圖10是本發(fā)明提供的變步長(zhǎng)仿真算法流程圖；
[0056]圖11是本發(fā)明提供的數(shù)據(jù)共享前后各處理器緩存狀態(tài)比較圖；
[0057]圖12是本發(fā)明提供的基于FPGA的時(shí)間調(diào)整策略圖；
[0058] 圖13本發(fā)明提供的電網(wǎng)電源模擬裝置構(gòu)成圖；
[0059] 圖14是本發(fā)明提供的分布式電源模擬裝置構(gòu)成圖；
[0060] 圖15是本發(fā)明提供的線路模擬單元構(gòu)成構(gòu)成圖；
[0061] 圖16是本發(fā)明提供的負(fù)荷模擬單元構(gòu)成圖；
[0062] 圖17是本發(fā)明提供的物理模擬設(shè)備靈活拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法流程圖；
[0063]圖18是本發(fā)明提供的數(shù)?；旌辖涌谘b置原理圖；
[0064] 圖19是本發(fā)明提供的復(fù)雜配電網(wǎng)運(yùn)行在數(shù)字仿真部分的數(shù)?；旌戏抡媸疽鈭D；
[0065] 圖20是本發(fā)明提供的復(fù)雜配電網(wǎng)運(yùn)行在模擬設(shè)備部分的數(shù)?；旌戏抡媸疽鈭D；
[0066] 圖21是本發(fā)明提供的復(fù)雜配電網(wǎng)數(shù)字暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)分別計(jì)算的數(shù)?；旌戏抡媸疽?圖。
【具體實(shí)施方式】
[0067] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0068] 以下描述和附圖充分地示出本發(fā)明的具體實(shí)施方案，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠 實(shí)踐它們。其他實(shí)施方案可以包括結(jié)構(gòu)的、邏輯的、電氣的、過程的以及其他的改變。實(shí)施例 僅代表可能的變化。除非明確要求，否則單獨(dú)的組件和功能是可選的，并且操作的順序可以 變化。一些實(shí)施方案的部分和特征可以被包括在或替換其他實(shí)施方案的部分和特征。本發(fā) 明的實(shí)施方案的范圍包括權(quán)利要求書的整個(gè)范圍，以及權(quán)利要求書的所有可獲得的等同 物。在本文中，本發(fā)明的這些實(shí)施方案可以被單獨(dú)地或總地用術(shù)語"發(fā)明"來表示，這僅僅是 為了方便，并且如果事實(shí)上公開了超過一個(gè)的發(fā)明，不是要自動(dòng)地限制該應(yīng)用的范圍為任 何單個(gè)發(fā)明或發(fā)明構(gòu)思。
[0069] 本發(fā)明提出了一種復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)及其仿真方法，該方 法對(duì)于傳統(tǒng)配電網(wǎng)單元部分，采用多時(shí)間尺度數(shù)字多時(shí)間尺度實(shí)時(shí)仿真，對(duì)于內(nèi)部機(jī)理尚 未研究深入、不容易用數(shù)字公式表達(dá)、建模難度大、仿真精度高的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)則采用物理真 型或等比例縮小的物理模擬設(shè)備進(jìn)行模擬，數(shù)字部分和模擬部分通過數(shù)?；旌辖涌趩卧?同步機(jī)制進(jìn)行聯(lián)合實(shí)時(shí)仿真。下面分別詳細(xì)說明主要涉及的3個(gè)部分：
[0070] (1)復(fù)雜配電網(wǎng)數(shù)模混合仿真中數(shù)字側(cè)部分
[0071] 1)為了對(duì)含分布式電源的配電網(wǎng)進(jìn)行多時(shí)間尺度仿真，仿真步長(zhǎng)要求較小，尤其 是對(duì)含高頻開關(guān)信號(hào)的電力電子接口分布式電源的多時(shí)間尺度仿真。本發(fā)明中采用基于 FPGA(Field Programmable Gate Array)的仿真技術(shù)，底層利用FPGA的可編程邏輯資源實(shí) 現(xiàn)硬件加速，仿真步長(zhǎng)可以達(dá)到5ys以下。
[0072] 2)由于仿真步長(zhǎng)較小，仿真計(jì)算量增大，為了保證仿真速度與外接物理仿真裝置 的實(shí)時(shí)同步性，內(nèi)部采用模型分解技術(shù)，對(duì)配電網(wǎng)數(shù)字模型進(jìn)行優(yōu)化分塊，以饋線、變電站 及所屬饋線、若干變電站構(gòu)成的供電區(qū)域、整個(gè)配電系統(tǒng)為仿真對(duì)象進(jìn)行數(shù)字分割，分割過 程可以依據(jù)復(fù)雜度和計(jì)算量均衡、問題研究需要的原則進(jìn)行，分割后的分區(qū)模塊可以采用 多CPU分塊計(jì)算的方法進(jìn)行高速并行運(yùn)算與加速。對(duì)仿真模型進(jìn)行不同角度拆分時(shí)，仿真模 型的運(yùn)行狀態(tài)和仿真結(jié)果不同，不同模型所在CPU間的同步直接影響仿真的效果，并且功率 接口的延遲也為仿真造成影響，所以本發(fā)明針對(duì)仿真同步問題進(jìn)行了詳細(xì)的考慮與設(shè)計(jì)。
[0073] 3)為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度仿真，需對(duì)配電網(wǎng)設(shè)備元件進(jìn)行多時(shí)間尺度建 模。根據(jù)分布式電源、電力電子裝置、充電粧等復(fù)雜配電網(wǎng)設(shè)備元件的內(nèi)部機(jī)理，以及其在 復(fù)雜配電網(wǎng)各類響應(yīng)過程中的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)特性，建立復(fù)雜配電網(wǎng)設(shè)備元件多時(shí)間尺度模 型，表現(xiàn)形式包括微分方程、非線性代數(shù)方程、分段線性方程等。
[0074] (2)物理真型模擬。對(duì)于運(yùn)行機(jī)理不明晰，建模復(fù)雜，難以表達(dá)的物理單元可以用 物理系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行模擬。配電網(wǎng)物理真型模擬是基于相似原理采用等比例縮放的物理設(shè) 備來模擬實(shí)際運(yùn)行的配電網(wǎng)設(shè)備。根據(jù)相似理論，一個(gè)配電系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)與多時(shí)間尺度 物理量與另一配電系統(tǒng)的相應(yīng)物理量之間存在固定的比例系數(shù)，當(dāng)兩個(gè)配電系統(tǒng)或設(shè)備在 幾何、性能、結(jié)構(gòu)、行為過程等方面具有一定的相似性時(shí)，可以從其中一種配電系統(tǒng)或設(shè)備 推理另一等比例的配電系統(tǒng)或設(shè)備的特性。因此，可以根據(jù)經(jīng)濟(jì)性原則，用等比例縮小的物 理真型設(shè)備模擬實(shí)際的物理設(shè)備性能。本發(fā)明設(shè)置并進(jìn)行物理多時(shí)間尺度性能模擬的設(shè)備 和系統(tǒng)包括6類單元：電源模擬單元、線路模擬單元、負(fù)荷模擬單元、事件模擬事件模擬單 元、保護(hù)模擬單元、監(jiān)控模擬單元。每個(gè)模擬單元包括的裝置類型及數(shù)量根據(jù)需要模擬的電 網(wǎng)規(guī)模確定。各模塊間相互獨(dú)立，在應(yīng)用中根據(jù)需要模擬仿真的設(shè)備類型，將各模塊的相關(guān) 裝置直接聯(lián)接或嵌套組成計(jì)劃的電網(wǎng)拓?fù)?，并調(diào)整裝置參數(shù)、控制策略，搭建出需要的復(fù)雜 配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0075] 考慮到需要仿真的對(duì)象包括單一電壓等級(jí)或者多個(gè)電壓等級(jí)的傳統(tǒng)無源配電網(wǎng)、 有源配電網(wǎng)、閉環(huán)運(yùn)行配電網(wǎng)、交直流混合配電網(wǎng)等配電網(wǎng)類型，建立的復(fù)雜配電網(wǎng)模擬仿 真系統(tǒng)也需要包括上述類型的各個(gè)組成單元、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并具有相應(yīng)的運(yùn)行特性。針對(duì)這個(gè) 特點(diǎn)，構(gòu)建模塊化的具有靈活建模、拓?fù)淇勺兛煽?、參?shù)可調(diào)可控特點(diǎn)的復(fù)雜配電網(wǎng)模擬仿 真系統(tǒng)，系統(tǒng)與供電電網(wǎng)（即電力網(wǎng)）完成電氣隔離，通過電力電子逆變電源從供電電網(wǎng)取 電，內(nèi)部形成一個(gè)頻率、電壓、電流、時(shí)間標(biāo)度等與電力網(wǎng)完全無關(guān)的、獨(dú)立的模擬電力系 統(tǒng)，系統(tǒng)額定電壓0-1500V之間的一個(gè)或多個(gè)電壓，如可采用1100￥、400￥、100￥三個(gè)電壓等 級(jí)，構(gòu)建的系統(tǒng)電壓可以包括一個(gè)或多個(gè)電壓;模擬裝置的絕緣水平不低于1500V，工作電 壓范圍為0-1500V電壓。電源模擬單元模擬交流同步發(fā)電系統(tǒng)、交流無窮大電源/配電網(wǎng)上 級(jí)電網(wǎng)以及分布式電源、直流電源等配電網(wǎng)的各類電源;線路模擬單元模擬變電站、開關(guān)、 饋線、變壓器等的等效阻抗；負(fù)荷模擬單元模擬穩(wěn)定或一定規(guī)律變化的各個(gè)電壓等級(jí)的有 功、無功交流負(fù)荷以及直流負(fù)荷;事件模擬事件模擬單元模擬配電網(wǎng)相間短路、接地短路、 斷路、風(fēng)險(xiǎn)、跳閘、負(fù)荷投切等事件以及需要試驗(yàn)的裝置設(shè)備故障和動(dòng)作;保護(hù)模擬單元模 擬配電網(wǎng)繼電保護(hù)及整定策略;監(jiān)控模擬單元模擬配電網(wǎng)的監(jiān)測(cè)、通信、控制系統(tǒng)、SCADA系 統(tǒng)等，實(shí)時(shí)采集模擬配電網(wǎng)的用電信息采集，負(fù)荷管理、線損分析、負(fù)荷預(yù)測(cè)、電價(jià)制定策略 等。
[0076] 由于物理模擬仿真系統(tǒng)不可避免要根據(jù)需求改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不 足，本發(fā)明提供了一種配電網(wǎng)物理模擬仿真系統(tǒng)拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)方法，為配電網(wǎng)仿真提供所需要 的多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，視拓?fù)涓膭?dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和改動(dòng)特點(diǎn)，上位機(jī)軟件自動(dòng)生成接線方案，并生 成接線列表，根據(jù)列表在端子柜中將元件各端進(jìn)行連接。
[0077] (3)數(shù)模混合接口及同步技術(shù)。為了構(gòu)成硬件在環(huán)的數(shù)字和物理混合協(xié)同仿真，需 要使用數(shù)?；旌辖涌凇?shù)?；旌辖涌谥饕饔檬沁\(yùn)行數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)和時(shí)間一致性的同步，將從 物理側(cè)采集的電壓、電流和開關(guān)信息經(jīng)過采集和轉(zhuǎn)換后傳送給數(shù)字側(cè)，以及將數(shù)字側(cè)數(shù)字 信息經(jīng)過電流功率放大器傳送到模擬側(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行，保證數(shù)字軟件仿真系統(tǒng)和物理模擬 側(cè)仿真在同一個(gè)時(shí)間斷面上進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。
[0078] 數(shù)模混合接口主要包括三個(gè)部分:數(shù)據(jù)采集單元、功率放大單元和開關(guān)信號(hào)單元。 數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)將物理模擬電路的電壓、電流和開關(guān)信號(hào)進(jìn)行采集并傳送給數(shù)字仿真系 統(tǒng)。功率放大單元主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真系統(tǒng)部分電流信號(hào)功率放大，將數(shù)字信號(hào)變?yōu)檎鎸?shí)的 電壓、電流和開關(guān)信號(hào)參與模擬電路的運(yùn)行。開關(guān)信號(hào)單元實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)和物理模擬設(shè)備 之間開關(guān)信號(hào)的隔離傳送。
[0079] 復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)需要數(shù)字部分與模擬部分，以及數(shù)字部 分之間的實(shí)時(shí)同步，實(shí)時(shí)同步技術(shù)通過三個(gè)方面實(shí)現(xiàn)，數(shù)字部分實(shí)現(xiàn)方法包括:變步長(zhǎng)技術(shù) 和分布式數(shù)據(jù)共享技術(shù)，數(shù)字部分與模擬部分的實(shí)時(shí)同步則是通過數(shù)模混合接口實(shí)現(xiàn)，實(shí) 現(xiàn)方法是依靠 FPGA的時(shí)間調(diào)整策略。
[0080] 實(shí)施例
[0081 ]圖2為本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施案例。圖中，以10kV配電網(wǎng)為例，示意了復(fù)雜配電網(wǎng) 多時(shí)間尺度數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)及其仿真方法的基本思路:圖中的大規(guī)模復(fù)雜配電網(wǎng)絡(luò)部分 采用數(shù)字仿真，包括連接線部分、開關(guān)、出線等，圖中虛線框中所示表示為較復(fù)雜、建模難度 大、仿真精度要求高的風(fēng)電、光伏、充電粧、儲(chǔ)能、負(fù)荷等單元使用經(jīng)過縮放的物理模型設(shè)備 進(jìn)行仿真。
[0082]圖3表明了本發(fā)明的基本原理，復(fù)雜配電網(wǎng)的數(shù)字仿真部分和物理模型仿真部分 通過數(shù)?；旌辖涌诩巴絾卧M(jìn)行連接。數(shù)字部分中實(shí)現(xiàn)變電站、負(fù)荷、分布式電源、開關(guān)、 監(jiān)測(cè)點(diǎn)、等效聯(lián)接點(diǎn)等的數(shù)字仿真，這些模塊采用傳統(tǒng)的、成熟的數(shù)字模型進(jìn)行仿真，或者 對(duì)新型設(shè)備（如分布式電源)進(jìn)行數(shù)字驗(yàn)證仿真。復(fù)雜配電網(wǎng)的模擬仿真部分對(duì)電力線路、 調(diào)壓設(shè)備、分布式電源、負(fù)荷、各種物理模型設(shè)備進(jìn)行物理模擬仿真。相對(duì)于數(shù)字部分來說， 物理模擬仿真采用強(qiáng)電壓、強(qiáng)電流，與數(shù)字部分對(duì)接，需要通過數(shù)?；旌辖涌诩巴絾卧?數(shù)?；旌辖涌诩巴絾卧獙?shù)字部分的電壓、電流信號(hào)等比例放大成真實(shí)的強(qiáng)電壓、強(qiáng)電 流，與物理模型仿真系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，反過來，物理模型仿真系統(tǒng)的強(qiáng)電壓、強(qiáng)電流信號(hào)也通 過數(shù)?；旌辖涌诩巴絾卧缺壤儞Q為數(shù)字電壓、數(shù)字電流信號(hào)與數(shù)字仿真仿真進(jìn)行對(duì) 接，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜配電網(wǎng)實(shí)時(shí)的多時(shí)間尺度數(shù)?；旌戏抡?。
[0083] 一、復(fù)雜配電網(wǎng)數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
[0084]復(fù)雜配電網(wǎng)數(shù)模混合仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。根據(jù)內(nèi)容8.2-8.4，總體結(jié)構(gòu) 包括數(shù)字系統(tǒng)部分、數(shù)?；旌辖涌诓糠趾臀锢砟M部分。
[0085]數(shù)字系統(tǒng)部分包括:交互層的設(shè)計(jì)、建模層的設(shè)計(jì)和仿真層的設(shè)計(jì)。其中，交互層 設(shè)計(jì)包括模塊選擇、參數(shù)設(shè)置和可視化界面的設(shè)計(jì)。建模層的設(shè)計(jì)包括多時(shí)間尺度建模和 模型參數(shù)估計(jì)與驗(yàn)證。仿真層的設(shè)計(jì)包括：電氣系統(tǒng)與控制系統(tǒng)并行計(jì)算方法的設(shè)計(jì)和基 于FPGA的數(shù)字框架的設(shè)計(jì)，是并行分解協(xié)調(diào)仿真的基礎(chǔ)。這三個(gè)方面的設(shè)計(jì)工作決定了上 位機(jī)軟件的整體架構(gòu)。
[0086]數(shù)?；旌辖涌谥饕ㄈ齻€(gè)部分:數(shù)據(jù)采集單元、功率放大單元和開關(guān)信號(hào)單元。 數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)將物理模擬電路的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行采集并傳送給數(shù)字仿真系統(tǒng)。功 率放大單元主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真系統(tǒng)部分電流信號(hào)功率放大，將數(shù)字信號(hào)變?yōu)檎鎸?shí)的電流信 號(hào)參與模擬電路的運(yùn)行。開關(guān)信號(hào)單元實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)和物理模擬設(shè)備之間開關(guān)信號(hào)的隔離 傳送。
[0087] 物理模擬部分主要包括：電源模擬單元、線路模擬單元、事件模擬單元、負(fù)荷模擬 單元、保護(hù)模擬單元、和監(jiān)控模擬單元等。各模塊間相互獨(dú)立，在應(yīng)用中基于相似定理模擬 仿真的設(shè)備類型，將各模塊的相關(guān)裝置直接聯(lián)接或嵌套組成計(jì)劃的電網(wǎng)拓?fù)洌⒄{(diào)整裝置 參數(shù)、控制策略，搭建出需要的復(fù)雜配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0088] 二、復(fù)雜配電網(wǎng)數(shù)模混合仿真中數(shù)字側(cè)部分 [0089] (1)基于FPGA的數(shù)字仿真架構(gòu)：
[0090] 其中，數(shù)字仿真部分的原理如圖5所示，采用的是基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的多時(shí)間尺度數(shù)字實(shí)時(shí)仿真，將預(yù)仿真的配電網(wǎng)絡(luò)分解為若干個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，子網(wǎng) 絡(luò)之間通過通訊線進(jìn)行連接，每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)的仿真放在FPGA的一個(gè)基本解算單元中進(jìn)行運(yùn) 算，各個(gè)基本解算單元之間的結(jié)果通過通訊線共享，達(dá)到并行仿真運(yùn)算的目的。FPGA由大量 基本可編程邏輯單元、可編程I/O以及內(nèi)部連線構(gòu)成，輔以嵌入式塊RAM、內(nèi)嵌硬核以及各種 IP(Intellectual Property)軟核，擁有完全可配置的并行硬件結(jié)構(gòu)、分布式內(nèi)存結(jié)構(gòu)以及 流水線結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)高速數(shù)值計(jì)算。基于FPGA的快速多時(shí)間尺度仿真采用節(jié)點(diǎn)法作為電磁 多時(shí)間尺度仿真的框架，結(jié)合FPGA自身特點(diǎn)，采用如圖6所示的系統(tǒng)級(jí)并行、模塊級(jí)并行以 及底層并行的設(shè)計(jì)架構(gòu)，提高仿真速度，從而實(shí)現(xiàn)電磁多時(shí)間尺度的快速仿真方法。
[0091] 1)系統(tǒng)級(jí)并行
[0092] 系統(tǒng)級(jí)并行是指根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過系統(tǒng)分割、并行求解及多速率求解等 手段，盡可能降低大規(guī)模系統(tǒng)的求解規(guī)模，提升計(jì)算速度，保證仿真實(shí)時(shí)性，并確定系統(tǒng)在 多片F(xiàn)PGA上的基本分配情況。此后可對(duì)分配到FPGA上的多個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)再劃分，進(jìn)一 步提升計(jì)算速度。每個(gè)子系統(tǒng)都可擁有獨(dú)立的計(jì)算資源，這樣可充分利用每片F(xiàn)PGA的計(jì)算 資源。
[0093] 2)模塊級(jí)并行
[0094]圖7給出了基于FPGA的基本解算單元的求解過程框圖。每個(gè)基本解算單元都由若 干個(gè)硬件功能模塊構(gòu)成?；诠?jié)點(diǎn)法的求解流程可分為3部分。在STEP_I中，元件類模塊負(fù) 責(zé)計(jì)算歷史量電流源，判斷開關(guān)狀態(tài)，并生成歷史量電流源列向量。在STEP_II中，進(jìn)行線性 方程組求解，計(jì)算節(jié)點(diǎn)電壓。在STEP_III中，通過STEP_II中計(jì)算出的節(jié)點(diǎn)電壓更新每類元 件的支路電壓和支路電流，用于下一時(shí)步的計(jì)算。不難發(fā)現(xiàn)，STEP_I和STEP_III的虛線框部 分中，各種元件類模塊的計(jì)算完全獨(dú)立，易于實(shí)現(xiàn)并發(fā)處理。
[0095] 3)底層并行
[0096] 底層并行主要指在整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)模塊的底層基本操作中，充分提煉可并發(fā)的操 作，從代數(shù)運(yùn)算層面復(fù)雜運(yùn)算公式的并行化處理，到數(shù)據(jù)讀寫層面分布式內(nèi)存的利用均會(huì) 涉及。同時(shí)，內(nèi)部采用模型分解技術(shù)，對(duì)配電網(wǎng)數(shù)字模型進(jìn)行分割分塊，以饋線、變電站及所 屬饋線、若干變電站構(gòu)成的供電區(qū)域、整個(gè)配電系統(tǒng)為仿真對(duì)象進(jìn)行小步長(zhǎng)實(shí)時(shí)仿真分割， 分割過程可以依據(jù)復(fù)雜度和計(jì)算量均衡、問題研究需要的原則進(jìn)行，分割后的分區(qū)模塊可 以采用多FPGA分塊計(jì)算的方法進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)并行加速。
[0097] 4)電氣系統(tǒng)與控制系統(tǒng)并行
[0098]為了保證復(fù)雜配電網(wǎng)數(shù)?；旌戏抡嬷袛?shù)字側(cè)的實(shí)時(shí)性，本發(fā)明發(fā)明中采用復(fù)雜配 電網(wǎng)電氣系統(tǒng)與控制系統(tǒng)并行計(jì)算方法。在每一個(gè)步長(zhǎng)上，可利用前一時(shí)步的控制系統(tǒng)輸 出量將電氣系統(tǒng)積分到該時(shí)步，同時(shí)也直接使用前一時(shí)步電氣系統(tǒng)的輸出量將控制系統(tǒng)積 分到該時(shí)步。此時(shí)，不僅電氣系統(tǒng)的解算存在一個(gè)步長(zhǎng)的時(shí)延，控制系統(tǒng)的解算同樣也存在 時(shí)延。為了解決步長(zhǎng)延時(shí)帶來的仿真精度誤差，本發(fā)明中對(duì)于控制系統(tǒng)使用由上一時(shí)步電 氣系統(tǒng)的輸出經(jīng)過數(shù)值積分或插值而得到的預(yù)測(cè)值作為該時(shí)步輸入，再將控制系統(tǒng)積分到 該時(shí)步，此時(shí)由于控制系統(tǒng)的解算也是基于前一時(shí)步電氣系統(tǒng)的輸出量，因此可以實(shí)現(xiàn)電 氣系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的并行求解，對(duì)于電氣量的預(yù)測(cè)可使用各種顯式的數(shù)值積分方法，也可 以使用線性或非線性插值算法。這種電氣與控制系統(tǒng)并行計(jì)算策略能達(dá)到串行程序的計(jì)算 精度。整個(gè)計(jì)算過程將按圖8中所示的[1]&[1']->[2]&[2']的時(shí)序依次進(jìn)行，圖中步驟[1] 與[Γ]、[2]與[2']均可實(shí)現(xiàn)并行求解。
[0099] (2)復(fù)雜配電網(wǎng)設(shè)備元件的多時(shí)間尺度建模
[0100] 復(fù)雜配電網(wǎng)設(shè)備元件的多時(shí)間尺度建模方法如圖9所示。根據(jù)分布式電源、儲(chǔ)能、 電力電子裝置(如：電動(dòng)汽車充電粧)等復(fù)雜配電網(wǎng)設(shè)備元件的內(nèi)部機(jī)理，以及其在復(fù)雜配 電網(wǎng)各類響應(yīng)過程中的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)特性，形成復(fù)雜配電網(wǎng)設(shè)備元件多時(shí)間尺度建模需求， 建立以需求時(shí)間尺度劃分的復(fù)雜配電網(wǎng)設(shè)備元件模型，表現(xiàn)形式包括微分方程、非線性代 數(shù)方程、分段線性方程等。在實(shí)際的建模過程中，可以針對(duì)不同的仿真目的和應(yīng)用場(chǎng)合，選 擇所需要的動(dòng)態(tài)過程，使得模型在精確性和復(fù)雜性上達(dá)到較好的平衡。
[0101] (3)實(shí)時(shí)同步技術(shù)
[0102] 復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)模混合仿真系統(tǒng)需要數(shù)字仿真系統(tǒng)與物理模擬電路，以 及數(shù)字仿真系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)同步，實(shí)時(shí)同步技術(shù)通過三個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：
[0103] 1)變步長(zhǎng)技術(shù)：
[0104] 本發(fā)明提出采用變步長(zhǎng)的電磁多時(shí)間尺度仿真方法。以一種考慮多重開關(guān)動(dòng)作的 變步長(zhǎng)電磁多時(shí)間尺度仿真方法為例，利用線性插值技術(shù)獲取開關(guān)動(dòng)作時(shí)刻，采用編程較 易實(shí)現(xiàn)的后退歐拉法，在開關(guān)動(dòng)作后連續(xù)利用變步長(zhǎng)后退歐拉法試探積分并消除數(shù)值振 蕩。該方法具備處理多重開關(guān)動(dòng)作和抑制數(shù)值振蕩的能力，同時(shí)對(duì)仿真步長(zhǎng)具有較好的適 應(yīng)性。其基本原理如下：當(dāng)系統(tǒng)某一步仿真遇到開關(guān)動(dòng)作時(shí)，首先利用線性插值技術(shù)求解開 關(guān)動(dòng)作時(shí)刻的系統(tǒng)解，并通過兩次變步長(zhǎng)后退歐拉法試探積分求解正確的系統(tǒng)狀態(tài);然后， 在下一步仿真中再連續(xù)利用兩次變步長(zhǎng)后退歐拉法來抑制數(shù)值振蕩。
[0105] 圖9為考慮多重開關(guān)動(dòng)作的變步長(zhǎng)仿真過程圖，半步長(zhǎng)0.5 △ t內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)開關(guān)動(dòng) 作，即動(dòng)作發(fā)生在抑制數(shù)值振蕩的過程中。根據(jù)不同的開關(guān)動(dòng)作情況，本發(fā)明提出考慮多重 開關(guān)動(dòng)作的變步長(zhǎng)仿真算法，其仿真步驟如下：
[0106] l)t時(shí)刻到t+Δ t時(shí)刻積分過程中，檢測(cè)到首個(gè)開關(guān)動(dòng)作時(shí)間tzi;2)線性插值到tzi 時(shí)刻時(shí)域解X(tzi)，并計(jì)算后退歐拉法變步長(zhǎng)值hi = 0.5(t+A t-tzi) ;3)改變開關(guān)狀態(tài)，修 改節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，采用變步長(zhǎng)后退歐拉法向前試探積分一次。若出現(xiàn)開關(guān)動(dòng)作則改變開關(guān) 狀態(tài)重新積分，直到無開關(guān)動(dòng)作為止;4)后退歐拉法向前積分，若沒有檢測(cè)到開關(guān)動(dòng)作，轉(zhuǎn) 入第7)步；否則，轉(zhuǎn)入第5)步;5)線性插值到開關(guān)動(dòng)作時(shí)刻t zl的時(shí)域解X(tzl)，計(jì)算后退歐 拉法變步長(zhǎng)值hi = t+At-tzl;6)后退歐拉法向前試探積分一次。若出現(xiàn)開關(guān)動(dòng)作則改變開 關(guān)狀態(tài)重新積分，直到無開關(guān)動(dòng)作為止;7)采用連續(xù)兩次半步長(zhǎng)(h = 0.5 At)后退歐拉法仿 真，若再遇到開關(guān)動(dòng)作返回第2)步;8)定步長(zhǎng)階段(h= At)采用穩(wěn)定性較好的隱式梯形積 分法繼續(xù)仿真。
[0107] 其中，2)、4)步采用線性插值技術(shù)求解開關(guān)動(dòng)作時(shí)刻^1的系統(tǒng)時(shí)域解乂(^1)，由下 式計(jì)算：
[0108] X{t^X{t) + (-^-\X{t ^h)-X{t)\ h '
[0109] 式中，h代表仿真步長(zhǎng)，X(t)、X(t+h)分別代表t、t+h時(shí)刻的系統(tǒng)時(shí)域解。
[0110] 上述仿真算法流程中，首先檢測(cè)系統(tǒng)上一步是否有開關(guān)動(dòng)作，若無則采用隱式梯 形法向前仿真，若有則按照算法中的后退歐拉法仿真。若開關(guān)動(dòng)作發(fā)生在仿真時(shí)刻末尾，則 該開關(guān)動(dòng)作在下一時(shí)刻首端處理。
[0111] 2)復(fù)雜配電網(wǎng)并行計(jì)算中數(shù)據(jù)同步與共享技術(shù)
[0112] 復(fù)雜配電網(wǎng)數(shù)?；旌戏抡嫔婕暗綌?shù)字側(cè)的快速并行仿真計(jì)算以及物理側(cè)的極短 延時(shí)響應(yīng)，數(shù)據(jù)量很大，并且各模塊需要及時(shí)更新。如圖11所示為完成一個(gè)讀寫周期前后各 處理器內(nèi)存緩存的狀態(tài)?；趦?nèi)存數(shù)據(jù)控制算法特點(diǎn)及系統(tǒng)架構(gòu)和總的結(jié)構(gòu)，單塊內(nèi)存被 劃分為若干塊，分別對(duì)應(yīng)著總線上不同的板卡。每塊主控卡(MC，Master Card)只能對(duì)內(nèi)存 中與其板卡號(hào)一致的內(nèi)存塊進(jìn)行寫操作，而對(duì)其它內(nèi)存塊只能進(jìn)行讀操作。每個(gè)內(nèi)存塊分 成若干個(gè)數(shù)據(jù)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊可以存儲(chǔ)一個(gè)SDB(SD卡的數(shù)據(jù)字節(jié))周期中從總線接收的數(shù) 據(jù)。HMC內(nèi)存塊用來存放來自外部測(cè)量系統(tǒng)傳輸過來的數(shù)據(jù)。
[0113] 3)基于FPGA的時(shí)間調(diào)整策略
[0114] 為了達(dá)到數(shù)字部分和模擬部分實(shí)時(shí)同步的目的，數(shù)字部分對(duì)實(shí)時(shí)模擬數(shù)據(jù)的讀取 時(shí)刻盡量與模擬部分設(shè)備的波形接近，這就要求數(shù)模混合仿真接口具備協(xié)調(diào)功能。傳統(tǒng)的 方法是采用高速A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換器，PFGA驅(qū)動(dòng)A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換器盡量快地輪番讀取實(shí)時(shí)模擬數(shù) 據(jù)，并且實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，這樣的優(yōu)點(diǎn)是邏輯簡(jiǎn)單，保證數(shù)字系統(tǒng)任何時(shí)候讀取的數(shù)據(jù) 都是最新的，但是缺點(diǎn)是:A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度越高成本越高，而且FPGA和A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換 器頻繁重復(fù)工作，轉(zhuǎn)換出大量無用的數(shù)據(jù)，大大增加綜合成本。本發(fā)明所提基于FPGA的時(shí)間 調(diào)整策略如圖12所示:為了保證穩(wěn)定性，數(shù)字仿真系統(tǒng)采用步長(zhǎng)相對(duì)變化不大的運(yùn)算，其計(jì) 算周期在較短時(shí)間內(nèi)認(rèn)為是固定的，例如每個(gè)計(jì)算周期時(shí)間為T，其讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的時(shí)間也 為T，高速FPGA記錄數(shù)字仿真系統(tǒng)的讀取信號(hào)，并根據(jù)讀取信號(hào)記錄數(shù)字系統(tǒng)的計(jì)算周期時(shí) 間，高速FPGA能夠記錄并準(zhǔn)確計(jì)算出周期為T，誤差為納秒級(jí)，高速FPGA記錄時(shí)間，并且在數(shù) 字系統(tǒng)下一次讀取到來之前的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)A T準(zhǔn)時(shí)驅(qū)動(dòng)A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換器（△ T的值可人工設(shè) 定），將模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，提供給數(shù)字仿真系統(tǒng)，這樣可以做到時(shí)間關(guān)系量化，提高工作 效率。
[0115] 三、物理模擬電路
[0116] 2.1系統(tǒng)電壓等級(jí)
[0117] 系統(tǒng)額定電壓等級(jí)包含一個(gè)或多個(gè)，應(yīng)用中可同時(shí)采用一個(gè)或多個(gè)電壓等級(jí)，如 可采用1100￥、400￥、100￥三個(gè)電壓等級(jí)。
[0118] 對(duì)于同時(shí)存在兩個(gè)電壓等級(jí)的配電模擬仿真系統(tǒng)，以采用1100V、400V、100V中的 兩個(gè)為電壓等級(jí)為例，在模擬電源處采用升壓變壓器將電壓升至1100V，用1100V電源模擬 110kV(或220kV)高壓配電網(wǎng)，經(jīng)過三卷變壓器降壓或二圈變壓器，將1100V降至400V或是 100V。用400V模擬35-kV配電網(wǎng)或中壓配電網(wǎng)，或是用100V模擬10kV中壓配電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)模擬 兩個(gè)電壓等級(jí)的功能。也可不經(jīng)升壓器，直接從電力電子逆變電源處取得400V電壓，而經(jīng)降 壓變壓器變?yōu)?00V電壓，400V模擬35kV電網(wǎng)或中壓配電網(wǎng)，100V模擬中壓或低壓配電網(wǎng)。
[0119] 2.2物理設(shè)備組成
[0120] (1)電源模擬單元
[0121] 電源模擬單元包括電網(wǎng)電源模擬裝置、分布式電源模擬裝置等。
[0122] (a)電網(wǎng)電源模擬裝置
[0123] 電網(wǎng)電源模擬裝置主要由電力電子逆變電源、升壓變壓器和儲(chǔ)能裝置共同組成。 復(fù)雜配電網(wǎng)模擬系統(tǒng)至少包括一個(gè)電網(wǎng)電源模擬裝置。
[0124] 電力電子逆變電源，包括兩種類型，應(yīng)用中這兩種類型可同時(shí)應(yīng)用也可只應(yīng)用其 中的一種。類型一米用交一直一交(AC-DC-AC)變換方式從供電網(wǎng)取電向模擬系統(tǒng)供電，類 型二采用交-直逆變裝置(AC-DC)加上直-交逆變裝置(DC-AC)共同組成電力電子逆變電源。 如圖12所示。
[0125] (b)分布式電源模擬裝置
[0126] 分布式電源模擬裝置采用兩類實(shí)現(xiàn)方式，同一個(gè)系統(tǒng)中可以采用其中的一類或二 類同時(shí)采用。
[0127] 方式一為統(tǒng)一模式，即采用電力電子逆變電源接入供電網(wǎng)，采用交一直一交(AC-DC-AC)變換方式從供電網(wǎng)取電，然后按照既定的控制方法模擬不同類型的分布式電源向模 擬系統(tǒng)供電。其中光伏、光熱和風(fēng)電可采用恒壓、恒流或功率控制模式，燃汽輪機(jī)可采用同 步電機(jī)控制方式模擬同步電機(jī)功率、頻率響應(yīng)特性。
[0128] 方式二為獨(dú)立模式，即不同的分布式電源采用不同的實(shí)現(xiàn)方式。例如，燃汽輪機(jī)發(fā) 電可采用電力電子逆變電源;光伏、光熱采用交一直逆變器+直交逆變器方式，交一直逆變 器模擬光伏、光熱發(fā)電，直一交逆變器模擬直流與交流系統(tǒng)的并網(wǎng)裝置;風(fēng)電可采用電動(dòng)機(jī) 拖動(dòng)發(fā)電機(jī)模擬風(fēng)力發(fā)電方式。如圖13所示。
[0129] (2)線路模擬單元
[0130] 線路模擬單元包括變電站模擬單元及電力線路模擬單元，其中變電站模擬單元主 要由主變、接地單元以及開關(guān)組成；電力線路模擬單元主要由饋線、開關(guān)、變壓器以及無功 補(bǔ)償裝置、調(diào)壓裝置等組成。如圖15所示。本發(fā)明將變電站模擬單元?dú)w于線路模擬單元，也 可以獨(dú)立于線路模擬單元單獨(dú)作為一個(gè)模塊。
[0131] (3)負(fù)荷模擬單元
[0132] 負(fù)荷模擬單元分為二類實(shí)現(xiàn)方式，類型一為主體采用電阻、電感、電容串并聯(lián)組成 的可控模擬負(fù)荷裝置，稱為線性模擬負(fù)荷裝置;類型二采用電力電子逆變器作為模擬負(fù)荷， 電力電子逆變器根據(jù)設(shè)置的規(guī)則、負(fù)荷響應(yīng)特性從模擬電網(wǎng)吸收有功、無功，應(yīng)用中可直接 將電力電子逆變器二次側(cè)接到模擬系統(tǒng)的供電電網(wǎng)或模擬電源出線等位置上，實(shí)現(xiàn)能源的 回收利用，稱為電力電子逆變負(fù)荷裝置。
[0133] 線性模擬負(fù)荷裝置主要包括變壓器和可編程負(fù)荷模擬調(diào)節(jié)裝置。如圖16所示。
[0134] (4)故障模擬單元
[0135] 事件模擬主要包括故障模擬和設(shè)備動(dòng)作模擬，故障模擬包括三相短路、兩相短路、 單相接地短路、單相斷線、兩相斷線等事件模擬，也包括過電壓、過負(fù)荷、低電壓、三相不平 衡、無功不足、電壓暫降、電壓閃變、電壓波動(dòng)、諧波現(xiàn)象的模擬，設(shè)備動(dòng)作模擬主要包括負(fù) 荷投切、分布式電源投切、空載長(zhǎng)線投切、開關(guān)投切、變壓器投切、充電裝置/儲(chǔ)能裝置投切、 線損等的事件模擬。
[0136] 事件模擬通過事件模擬裝置實(shí)現(xiàn)，例如電網(wǎng)性能模擬、安全穩(wěn)定模擬通過調(diào)節(jié)模 擬電源出力、模擬三相電壓及負(fù)荷、調(diào)節(jié)負(fù)荷模擬裝置三相及單相功率、調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償裝 置、調(diào)節(jié)諧波發(fā)生器等實(shí)現(xiàn)，設(shè)備動(dòng)作模擬通過控制負(fù)荷、分布式電源、變壓器等接入模擬 電網(wǎng)的開關(guān)的斷、合實(shí)現(xiàn)。
[0137] (5)保護(hù)模擬單元
[0138] 主要設(shè)備自身保護(hù)裝置、物理模擬系統(tǒng)的二次保護(hù)。
[0139] 保護(hù)模擬單元包括兩部分，一是設(shè)備自身的保護(hù)功能，主要是設(shè)備過熱、過電壓， 即當(dāng)設(shè)備的運(yùn)行溫度及運(yùn)行電壓可能危害到設(shè)備安全時(shí)，通過斷路器將設(shè)備從模擬電網(wǎng)中 切除。二是模擬電網(wǎng)的保護(hù)，主要是模擬電網(wǎng)的二次保護(hù)。模擬電網(wǎng)的保護(hù)主要由集成到斷 路器中的繼電保護(hù)、電壓/電流檢測(cè)與比較判斷功能以及獨(dú)立的故障分析/決策裝置、模擬 電網(wǎng)監(jiān)測(cè)主站構(gòu)成，在模擬電網(wǎng)出現(xiàn)電網(wǎng)故障特征時(shí)，按照設(shè)置的保護(hù)動(dòng)作規(guī)則、故障診斷 分析程序進(jìn)行分析判斷，進(jìn)而動(dòng)作于開關(guān)跳閘、合閘，從而實(shí)現(xiàn)模擬電網(wǎng)的二次保護(hù)。
[0140] (6)監(jiān)控模擬單元
[0141] 監(jiān)控模擬單元主要包括低壓PT(電壓互感器）、低壓CT(電流互感器）、通信、終端以 及監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)。
[0142] 低壓PT就能滿足電壓從0 - 1500V測(cè)量要求，低壓CT應(yīng)能滿足0 - 1000A電流測(cè)量要 求，配置時(shí)，PT和CT均按三相配置，PT測(cè)量相電壓。
[0143] 通信可采用有線通信方式，也可采用無線通信方式，組成局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備間、設(shè)備 與監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)間的通信。
[0144] 2.3物理模擬系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
[0145] 為了實(shí)現(xiàn)物理模擬部分的靈活拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本發(fā)明提出一種靈活拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 方法，其思想為：
[0146] (1)將端子柜中的端子與配電網(wǎng)物理元件的接線端子進(jìn)行物理連接。
[0147] (2)為了保證物理連接的正確性，以及與所設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一致，在上位機(jī)軟件根 據(jù)所設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的接線特點(diǎn)，自動(dòng)生成"接線列表"，列表包含每個(gè)元件的編號(hào)、端子號(hào)， 以及不同元件各個(gè)端子之間的連接關(guān)系?；痉椒?為每個(gè)物理元件設(shè)計(jì)唯一對(duì)應(yīng)的模 型，軟件中集合所需的所有元件模型，根據(jù)所需設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行畫線連接，軟件自動(dòng)識(shí) 別出元件間的連接關(guān)系，并生成"連接列表"，列表包含每個(gè)元件的編號(hào)、元件的端口號(hào)，以 及各個(gè)元件各個(gè)端口之間的連接關(guān)系。
[0148] (3)根據(jù)"接線列表"在端子柜中對(duì)配電網(wǎng)物理元件間進(jìn)行連接，構(gòu)成與上位機(jī)所 設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一致的物理元件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0149] 其實(shí)現(xiàn)方法的流程圖如圖17所示。
[0150] 四、復(fù)雜配電網(wǎng)數(shù)?；旌辖涌谘b置
[0151]復(fù)雜配電網(wǎng)數(shù)?；旌辖涌谘b置硬件實(shí)現(xiàn)如圖18所示。主要包括三個(gè)部分:數(shù)據(jù)采 集單元、功率放大單元和開關(guān)信號(hào)單元。
[0152]數(shù)據(jù)采集單元:物理模擬電路的電壓和電流信號(hào)經(jīng)過互感器或傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗?壓或低電流信號(hào)，傳送到數(shù)模混合接口裝置，數(shù)模混合接口裝置的AD數(shù)據(jù)采集單元將模擬 信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，數(shù)模采集單元數(shù)據(jù)緩沖部分可暫時(shí)緩存這些數(shù)字信號(hào)，緩沖作用使 得高速工作的處理器與慢速的外部數(shù)據(jù)處理設(shè)備能夠協(xié)調(diào)工作，保證數(shù)據(jù)傳送的完整性。
[0153] 功率放大單元的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真器輸出功率放大，將數(shù)字信號(hào)變?yōu)檎鎸?shí) 的電流信號(hào)參與模擬電路的運(yùn)行，首先通過DA數(shù)模轉(zhuǎn)換器件，將數(shù)字仿真系統(tǒng)的電流數(shù)字 信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬的電壓信號(hào)，模擬的電壓信號(hào)通過電流功率放大器轉(zhuǎn)換為與數(shù)字量相對(duì)應(yīng) 的電流，比如:50A電流，經(jīng)過DA數(shù)模轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換為有效值為5V的電壓信號(hào)，5V的電壓信號(hào) 經(jīng)過10A/V比率的電流功率放大器，放大為50A的電流信號(hào)，50A的電流信號(hào)注入到模擬電網(wǎng) 運(yùn)行。
[0154] 開關(guān)信號(hào)單元:開關(guān)信號(hào)單元采用隔離器件進(jìn)行隔離，隔離器件包含光耦、繼電器 等。其作用有兩個(gè)方面：（1)將數(shù)字仿真系統(tǒng)的開關(guān)指令直接下發(fā)給模擬開關(guān)器件執(zhí)行，比 如斷路器、空氣開關(guān)等；（2)將物理模擬電路的開關(guān)狀態(tài)傳送給上位機(jī)數(shù)字仿真系統(tǒng)，比如 斷路器跳閘之后，數(shù)字仿真系統(tǒng)通過數(shù)?；旌辖涌诮邮盏狡跔顟B(tài)，同步的將數(shù)字仿真系統(tǒng) 進(jìn)行更改。
[0155] 五、復(fù)雜配電網(wǎng)數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)仿真方法
[0156] 復(fù)雜配電網(wǎng)數(shù)模混合仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)的仿真功能，其實(shí)現(xiàn)形式可以根據(jù)運(yùn) 行場(chǎng)景的需要進(jìn)行變化，場(chǎng)景舉例：
[0157] (1)復(fù)雜配電網(wǎng)運(yùn)行在數(shù)字仿真部分的數(shù)模混合仿真:數(shù)字部分按照既定的場(chǎng)景 進(jìn)行仿真模型搭建、實(shí)時(shí)潮流、運(yùn)行狀態(tài)仿真全部在數(shù)字部分進(jìn)行，其運(yùn)行狀態(tài)通過數(shù)?；?合接口裝置反映到物理模擬部分，物理模擬部分監(jiān)控與保護(hù)裝置對(duì)數(shù)字部分的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn) 行監(jiān)控。如果數(shù)字部分運(yùn)行某時(shí)刻發(fā)生"事件或故障"，則物理模擬部分真實(shí)的監(jiān)控和保護(hù) 裝置依照該"事件或故障"及時(shí)動(dòng)作，并將動(dòng)作信號(hào)通過模擬接口裝置傳遞到數(shù)字部分，數(shù) 字部分接收到物理模擬部分的動(dòng)作信號(hào)后，按照動(dòng)作后的仿真模型進(jìn)行仿真計(jì)算，達(dá)到對(duì) 物理模擬部分監(jiān)控與保護(hù)裝置進(jìn)行測(cè)試的目的，其原理如圖19所示；
[0158] (2)復(fù)雜配電網(wǎng)運(yùn)行在模擬設(shè)備部分的數(shù)?；旌戏抡?物理模擬部分按照既定的 場(chǎng)景搭建仿真拓?fù)洌锢砟M帶電運(yùn)行后，其運(yùn)行狀態(tài)通過數(shù)?；旌辖涌谘b置傳送到數(shù)字 部分，數(shù)字部分的監(jiān)控與保護(hù)模塊對(duì)物理模擬的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，物理模擬部分"事 件和事件模擬裝置"根據(jù)仿真需要在某個(gè)時(shí)刻發(fā)生某個(gè)事件，比如短路，則數(shù)字部分實(shí)時(shí)監(jiān) 測(cè)到該信號(hào)，并發(fā)出保護(hù)動(dòng)作指令，保護(hù)動(dòng)作指令通過數(shù)模混合接口裝置傳送到物理模擬 部分真實(shí)的保護(hù)裝置，該保護(hù)裝置動(dòng)作，隔離故障點(diǎn)，達(dá)到數(shù)字部分對(duì)物理模擬部分進(jìn)行監(jiān) 控的目的，其原理如圖20所示。
[0159] (3)復(fù)雜配電網(wǎng)數(shù)字暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)分別計(jì)算的數(shù)?；旌戏抡妫合到y(tǒng)分為計(jì)算復(fù)雜配 電網(wǎng)電網(wǎng)模型的仿真計(jì)算機(jī)，和用于計(jì)算機(jī)電暫態(tài)和電磁暫態(tài)模型的實(shí)時(shí)仿真機(jī)，兩個(gè)系 統(tǒng)通過高速通訊聯(lián)接，實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)通過功率放大器與物理模擬設(shè)備連接，從而可以完成 大規(guī)模多尺度的仿真系統(tǒng)，并可以完成硬件在環(huán)的仿真系統(tǒng)，其原理如圖21所示。
[0160] 另外，以以上三種基本形式為基礎(chǔ)，數(shù)字部分和物理模擬各個(gè)模塊均可獨(dú)立運(yùn)行， 并且數(shù)字部分可以整體或部分參與物理模擬部分的數(shù)?；旌戏抡?，物理模擬部分的全部或 部分設(shè)備亦可以參與數(shù)字部分的數(shù)模混合仿真，根據(jù)仿真需求，配置靈活可變。
[0161] 以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，盡管參照上述實(shí)施例對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員依然可以對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn) 行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請(qǐng) 待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)?；旌戏抡嫦?統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)交流電網(wǎng)、直流電網(wǎng)、交直流混合電網(wǎng)的基于單一電壓等級(jí)、多電壓等級(jí)的多時(shí) 間尺度數(shù)?；旌戏抡妫鰯?shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)包括： 數(shù)字仿真系統(tǒng):用于對(duì)含分布式電源的配電網(wǎng)進(jìn)行數(shù)?；旌蠒簯B(tài)仿真； 數(shù)?；旌辖涌谘b置:用于數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)和時(shí)間一致性的同步； 物理模擬電路:用于搭建復(fù)雜配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 底層設(shè)計(jì)模塊:用于對(duì)數(shù)字仿真系統(tǒng)的仿真層提供實(shí)時(shí)同步仿真技術(shù)和對(duì)數(shù)字仿真系 統(tǒng)和數(shù)?；旌辖涌谘b置提供基于FPGA的時(shí)間調(diào)整技術(shù)； 所述數(shù)字仿真系統(tǒng)和物理模擬電路通過數(shù)?；旌辖涌谘b置連接，構(gòu)成環(huán)路的多時(shí)間尺 度仿真系統(tǒng)。2. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)模混合仿真系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù) 字仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括:交互層設(shè)計(jì)、建模層設(shè)計(jì)和仿真層設(shè)計(jì);所述交互層設(shè)計(jì)用于負(fù)責(zé) 與用戶的可視化交互，并采用建模層所建立的元件模型圖形，搭建仿真電路，進(jìn)行仿真元件 參數(shù)設(shè)置;建模層設(shè)計(jì)用于負(fù)責(zé)仿真元件數(shù)學(xué)建模、元件的參數(shù)定義、參數(shù)估計(jì)和驗(yàn)證以及 元件圖形外觀的設(shè)計(jì);所述仿真層設(shè)計(jì)為在交互層的指令下，基于建模層所建立的仿真元 件數(shù)學(xué)模型，參考相應(yīng)的仿真元件參數(shù)設(shè)置，對(duì)交互層所搭建的仿真電路進(jìn)行仿真計(jì)算，包 括電氣系統(tǒng)與控制系統(tǒng)并行計(jì)算的設(shè)計(jì)和基于FPGA的數(shù)字框架的設(shè)計(jì)。3. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)，其特征在于:底層設(shè) 計(jì)模塊采用基于可邏輯編程的FPGA進(jìn)行硬件加速數(shù)字仿真，同時(shí)采用多FPGA分區(qū)并行的方 法來加速配電網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)數(shù)字仿真速度。4. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)模混合仿真系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù) 模混合接口裝置包括： 數(shù)據(jù)采集單元：用于將模擬建模層搭建的仿真電路的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行采集并傳送 給數(shù)字仿真系統(tǒng)； 功率放大單元：用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真系統(tǒng)電流信號(hào)功率放大，將數(shù)字信號(hào)變?yōu)檎鎸?shí)的電 流信號(hào)參與物理模擬電路的運(yùn)行； 開關(guān)信號(hào)單元:用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真系統(tǒng)和物理模擬電路之間開關(guān)信號(hào)的隔離傳送。5. 如權(quán)利要求4所述的復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)模混合仿真系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù) 據(jù)采集單元包括依次連接的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，A/D數(shù)據(jù)采集器和電壓調(diào)理單元;模擬仿真電路物 理模擬電路的電壓和電流信號(hào)經(jīng)過互感器或傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妷夯虻碗娏餍盘?hào)，傳送到數(shù) ?；旌辖涌谘b置，數(shù)?；旌辖涌谘b置的AD數(shù)據(jù)采集器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，數(shù)模采 集單元的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)暫時(shí)緩存上述數(shù)字信號(hào)； 所述功率放大單元包括依次連接的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器和功率放大器;首先數(shù)字仿真系統(tǒng) 的信號(hào)通過DA數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字仿真系統(tǒng)的電流數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬的電壓信號(hào)，模擬 的電壓信號(hào)通過電流功率放大器轉(zhuǎn)換為與數(shù)字量相對(duì)應(yīng)的電流； 所述開關(guān)信號(hào)單元采用隔離器件進(jìn)行隔離，所述開關(guān)信號(hào)單元的作用為：1)將數(shù)字仿 真系統(tǒng)的開關(guān)指令直接下發(fā)給物理模擬電路執(zhí)行;2)將物理模擬電路的開關(guān)狀態(tài)傳送給上 位機(jī)的數(shù)字部分。6. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)，其特征在于:采用基 于FPGA的時(shí)間調(diào)整技術(shù)以實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真系統(tǒng)和物理模擬電路實(shí)時(shí)同步的目的，基于FPGA的 時(shí)間調(diào)整技術(shù)為:高速FPGA記錄數(shù)字仿真系統(tǒng)的讀取信號(hào)，并根據(jù)讀取信號(hào)記錄數(shù)字系統(tǒng) 的計(jì)算周期時(shí)間，在數(shù)字仿真系統(tǒng)下一次讀取行為到來之前的時(shí)間點(diǎn)A T準(zhǔn)時(shí)驅(qū)動(dòng)A/D信號(hào) 轉(zhuǎn)換器，將模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，提供給數(shù)字仿真系統(tǒng)。7. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)，其特征在于:所述物 理模擬電路用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)電壓等級(jí)配電網(wǎng)模擬仿真，包括電源模擬單元、線路模擬單元、負(fù) 荷模擬單元、保護(hù)模擬單元、監(jiān)控模擬單元和物理同步模塊;所述物理模擬電路能夠仿真的 對(duì)象包括單一電壓等級(jí)或者多個(gè)電壓等級(jí)的無源配電網(wǎng)、有源配電網(wǎng)、閉環(huán)運(yùn)行配電網(wǎng)、交 直流混合配電網(wǎng)配電網(wǎng)類型。8. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)，其特征在于:為所述 物理模擬電路設(shè)計(jì)端子柜，端子柜中的端子與電力物理元件的接線端口連接，在所述端子 柜上畫上每個(gè)元件標(biāo)示符號(hào)，并貼上名稱和接線端口號(hào)。9. 如權(quán)利要求8所述的復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)，其特征在于:為每個(gè) 電力物理元件設(shè)計(jì)唯一對(duì)應(yīng)的模型，根據(jù)所需設(shè)計(jì)的模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行畫線連接，上位機(jī)自動(dòng) 識(shí)別出元件間的連接關(guān)系，并生成連接列表，所述連接列表包含每個(gè)元件的編號(hào)、元件的端 口號(hào)，以及各個(gè)元件各個(gè)端口之間的連接關(guān)系。10. 如權(quán)利要求9所述的復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)，其特征在于:上位 機(jī)根據(jù)電力物理元件間的拓?fù)潢P(guān)系自動(dòng)生成接線列表的過程為:上位機(jī)根據(jù)電力物理元件 序號(hào)由小到大依次遍歷所有元件，并且根據(jù)端口號(hào)由小到大依次遍歷元件所有端口，形成 連接列表，并將首次遍歷到的元件序號(hào)和端口號(hào)記為新節(jié)點(diǎn)的主元件序號(hào)和端口號(hào)。11. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)模混合仿真系統(tǒng)，其特征在于:所述 復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)的仿真功能包括:1)物理模擬電路監(jiān)控?cái)?shù)字仿真 系統(tǒng):模型實(shí)時(shí)潮流運(yùn)行狀態(tài)仿真全部在數(shù)字仿真系統(tǒng)進(jìn)行，物理模擬電路監(jiān)控與保護(hù)裝 置對(duì)數(shù)字仿真系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，如果數(shù)字仿真系統(tǒng)運(yùn)行某時(shí)刻發(fā)生事件或故障， 則物理模擬電路真實(shí)的監(jiān)控和保護(hù)裝置依照該事件或故障及時(shí)動(dòng)作，并將動(dòng)作信號(hào)通過數(shù) 模混合接口裝置裝置傳遞到數(shù)字仿真系統(tǒng)，達(dá)到對(duì)物理模擬電路監(jiān)控與保護(hù)裝置進(jìn)行測(cè)試 的目的；2)數(shù)字仿真系統(tǒng)監(jiān)控物理模擬電路:物理模擬電路按照既定的場(chǎng)景搭建仿真拓?fù)洌?其運(yùn)行狀態(tài)通過數(shù)?；旌辖涌谘b置傳送到數(shù)字仿真系統(tǒng)，數(shù)字仿真系統(tǒng)的監(jiān)控與保護(hù)模塊 對(duì)物理模擬的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，達(dá)到數(shù)字仿真系統(tǒng)對(duì)物理模擬電路進(jìn)行監(jiān)控的目 的；3)復(fù)雜配電網(wǎng)數(shù)字暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)分別計(jì)算的數(shù)?；旌戏抡妫合到y(tǒng)分為計(jì)算復(fù)雜配電網(wǎng)電 網(wǎng)模型的仿真計(jì)算機(jī)和用于計(jì)算機(jī)電暫態(tài)和電磁暫態(tài)模型的實(shí)時(shí)仿真機(jī)，兩個(gè)系統(tǒng)通過高 速通訊聯(lián)接，實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)通過功率放大器與物理模擬電路連接。12. -種采用權(quán)利要求1所述的復(fù)雜配電網(wǎng)多時(shí)間尺度數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)的仿真方法， 其特征在于，所述仿真方法包括下述三種場(chǎng)景：（1)復(fù)雜配電網(wǎng)運(yùn)行在數(shù)字仿真系統(tǒng)的數(shù)模 混合仿真；（2)復(fù)雜配電網(wǎng)運(yùn)行在物理模擬設(shè)備部分的數(shù)?；旌戏抡妫唬?)復(fù)雜配電網(wǎng)數(shù)字 暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)分別計(jì)算的數(shù)?；旌戏抡?；以上三種基本形式為基礎(chǔ)，數(shù)字仿真系統(tǒng)和物理模 擬電路中的模塊均獨(dú)立運(yùn)行，并且數(shù)字仿真系統(tǒng)整體或部分參與物理模擬電路的數(shù)?；旌?仿真，物理模擬電路的全部或部分設(shè)備參與數(shù)字仿真系統(tǒng)的數(shù)?；旌戏抡?。
【文檔編號(hào)】G06Q50/06GK105932666SQ201610331069
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年5月18日
【發(fā)明人】盛萬興, 劉科研, 孟曉麗, 董偉杰, 李雅潔, 葉學(xué)順, 劉永梅, 刁贏龍, 賈東梨, 胡麗娟, 何開元
【申請(qǐng)人】中國(guó)電力科學(xué)研究院, 國(guó)家電網(wǎng)公司